2조.

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 안개형 분무식 장치(Fog Cannon)과 IOT기술을 접목한 스마트 비산먼지 발생저감 기술

영문 : Smart scattering dust reduction technology combined Fog cannon and IOT

과제 팀명

2조

지도교수

문영일 교수님

개발기간

2020년 3월 ~ 2020년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학부·과 20128600** 문*일(팀장)

서울시립대학교 토목공학부·과 20158600** 시*정

서울시립대학교 토목공학부·과 20158600** 오*헌

서울시립대학교 토목공학부·과 20178600** 김*영

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

비산먼지 발생저감을 위해 행하는 수많은 방법 중에 우리는 ‘안개형 분무식 장치(Fog Cannon)’를 ‘사물인터넷(IOT:Internet of Things)’과 결합하여 적절한 시간과 장소에서 자동으로 기계를 운용할 수 있도록 한다.

개발 과제의 배경

많은 건설현장에서는 환경문제, 민원과 관련하여 비산먼지 저감 조치를 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 이를 위해 ‘비산먼지 발생사업 신고’ 를 기점으로, 세륜기 운영, 방진벽 설치, 살수차 운영, 야적물질의 방진덮개 설치, 건설장비의 자동덮개 활성화 등 다양한 저감장치들이 운영되고 계획되어지고 있다. 이 때 비산먼지 저감을 위해 ‘안개형 분무식 장치(Fog Cannon)’가 현재 상용되어 지고 있으며 지속 개발 중에 있다. 최근에는 간이식, 이동식 저감장치라 하여 고정된 곳에서만의 살수가 아닌, 비산먼지가 많이 있는 장소를 선택해 저감을 시키는 방법 또한 상용되어 지는 중이다. 하지만 이는, 사용자가 직접 설치 및 작동을 해야한다는 점에서 효율성에 관한 문제가 제고될 수 있다. 또한 건설현장에서 이 저감장치의 원활한 작동을 위해 인원을 따로 고용 및 배치함에도 비용과 효율에 관하여 문제가 될 수도 있음이 분명하다.

개발 과제의 목표 및 내용

우리 2조는 ‘안개형 분무식 장치(Fog Cannon)’에 대기중 비산먼지 측정센서를 결합하여 일정수치 이상으로 올라가면 자동으로 기계가 운용하게 되도록 계획하고 있다. 더 나아가 센서를 스마트폰과 연결하여 직접 사용자가 어느 곳에서든 기계를 운용할 수 있도록 계획하고 있다. 이에 따른 우리 조의 목표룰 정리해보면 아래와 같다. 
 1. Iot기술을 접목하기 위한, 저감장치(Fog cannon)과 비산먼지 측정센서의 연결
 2. 사용자가 대기의 상황을 알아 볼 수 있도록, 스마트폰과 센서를 연결함
 3. 사용자가 기계를 어느곳에서는 운용할 수 있도록, 스마트폰과 기계를 연결함

IOT(Internet of Things)란? 사물에 센서를 부착해 실시간으로 데이터를 인터넷으로 주고받는 기술이나 환경을 일컫는다. 4차산업기술의 발달이 급증하는 요즘, 토목공사에서도 사물인터넷(IOT:Internet of Things)를 이용한 여러 가지 개발할 수 있는 기술이 존재한다. 우리 2조는 토목공사에 발생되는 비산먼지에 관한 문제를 해결하기위해 먼지 저감장치와 센서 그리고 현대의 스마트폰을 이용하여 언제 어디서든 공사현장의 비산먼지 현황데이터를 실시간으로 받아 자동으로 그리고 원격으로 저감장치를 운용할 수 있도록 하는 방향으로 비산먼지 문제를 해결하려고 한다. 여기서 사용할 비산먼지 저감장치로는 Fog cannon이 있다. Fog cannon 또는 Cooling Fog라고도 불리는 이 장치는 미세먼지 크기와 비슷한 물방울들을 만들어 낼 수가 있는데, 일반적으로 내리는 빗방울들의 크기는 약 2000~6000로 슬립 스트림 효과로 인해 미세먼지를 흡수하지 못하고 오히려 땅에 가라 앉아있는 먼지를 건드려 더 많은 비산 먼지를 발생 시킬 수 있습니다. 하지만 Fog cannon이 발생시킨 미세먼지 크기의 물방울은 슬립 스트림 효과가 거의 발생하지 않으므로 대기중의 미세먼지를 달라붙게하고 미세먼지가 붙은 물방울은 대기중에서 땅으로 떨어지며 대기에 있는 미세먼지를 제거하는 방법이다. 이 장치의 저감 적용 범위는 기계마다 다르지만 최대 200m로 보고 생성된 물방울의 크기가 매우 작음으로 인해 대기중에서 오랫동안 멀리 날아갈 수 있기 때문에 적용범위는 이것보다 더 넓을것으로 판단된다. 

<그림 1>. 물방울 크기에 따른 슬립스트림 효과 및 먼지 흡입력

하지만 이 장치는 현재 사람이 수동으로 조종해야하는 한계점이 있다. 이 문제를 해결하기 위해 공사현장 주변에 비산먼지 센서를 설치하고 이 센서로부터 각 지점의 대기 현황 데이터를 실시간으로 받으며 해당센서의 결과로 일정 먼지농도 이상으로 올라갈 경우 Fog cannon이 해당 센서가 있는 곳을 향해 먼지 저감을 자동으로 수행하도록 할 생각이다. 위의 목표가 성공하면 더 나아가 토목공사 현장뿐 아니라 현재에 문제가 되고 있는 것 중 하나인 미세먼지를 줄이는데 이용할 수 있다고 생각하여, 저감장치와 기상정보 데이터를 이용하여 대기의 문제를 해결할 수 있다고 생각한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

안개형 분무식 장치(Fog Cannon) : 현재 포그캐논은 우리도 모르는 사이에 일상에서 많은 부분에 사용중이다. 예를 들어 분무식 장치의 이점을 살려 식물원의 온도와 습도 조절 및 가습효과에도 사용중에 있고, 정수장의 악취 냄새를 제거 하기 위해 사용되기도 한다. 또한 차량의 소독을 위해 사용되기도 한다. 심지어는 집안이나 상점의 도둑을 내쫓기 위해서도 사용이 되어지고 있다. 이렇듯 현재 포그캐논은 여러 방면에서 사용중에 있는데 우리 2조는 공사현장에서 비산먼지제거를 위해 사용되는 것에 초점을 맞추었다. 아래는 실제 해외에서 설치되어 사용되고있는 사진이다.

사물인터넷(IOT:Internet of Things) : 사물인터넷은 사물에 센서를 부착해 실시간으로 데이터를 인터넷으로 주고받는 기술이나 환경을 일컫는다. 지금도 인터넷에 연결된 사물은 주변에서 적잖게 볼 수 있다. 하지만 사물인터넷이 여는 세상은 이와 다르다. 지금까진 인터넷에 연결된 기기들이 정보를 주고받으려면 인간의 ‘조작’이 개입돼야 했다. 사물인터넷 시대가 열리면 인터넷에 연결된 기기는 사람의 도움 없이 서로 알아서 정보를 주고 받으며 대화를 나눌 수 있다. 블루투스나 근거리무선통신(NFC), 센서데이터, 네트워크가 이들의 자율적인 소통을 돕는 기술이 된다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

 기술 개발의 최종 점검 방법으로는 우선 현장 주위 4방향에 비산먼지 센서를 설치한다. 그 센서는 각 지점 대기 현황 데이터를 실시간으로 받게 되며 그 센서와 Fog cannon을 연결한다. 그래서 일정 이상의 먼지농도를 측정하게 되면 자동으로 센서가 있는 곳을 향하여 작동하는지 여부를 파악하고. 비산먼지 감소량을 측정할 예정이다. 또한 사용자는 거리에 상관없이 Fog cannon의 정보와 비산먼지 측정센서 데이터를 휴대폰으로 정보를 실시간으로 받을 수 있는가에 대해서 점검 할 예정이다. 최종 점검 방법에서 Fog cannon의 적용범위에 대해 신경쓰지 않는 이유는 이 기술을 현장에 적용한다면, 실제 Fog cannon의 분사거리는 평균 약 100m이며 그에따른 효과적용 범위는 약 3만㎡ 이다. 실제로 사용할 경우 공사현장이 이 범위를 넘어갈 경우 해당기기를 하나 더 운용하여 효과적인 비산먼지 감소를 기대할 수 있다. 하지만 대형공사현장면적이 1만㎡ 임을 감안하면 해당기기 한대로도 충분히 공사현장의 환경을 만족시킬 수 있다고 판단되기 때문이다.

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

현재 비산먼지 관리 매뉴얼(2017.10.12 기준)에서는 수송, 조쇄 및 분쇄, 채광, 공사현장 등 모든 곳에 비산먼지 확산을 막기위한 살수시설을 설치하고 관리하도록 되어 있다. 기존의 비산먼지를 막기위해서 회사들은 자체적으로 살수차량을 제작하거나 또는 스프링클러와 유사한 시설을 만들어 사용하고 있다. 살수차와 스프링클러를 이용한 살수방법은 진짜 비산먼지의 확산을 막을 수 있을까? 어느정도 막을 수 있다고 실험은 말하지만 슬립 스트림 효과에 의해서 보다 효과적으로 막을 수는 없고 임시방편이라고 할 수 있다. 

기본적으로 살수차와 스프링클러에 의해 나오는 물방울의 크기는 약 2000µm 또는 그 이상인데, 비산먼지의 크기는 약 1~10µm정도 이다. 이렇게 두 물질의 크기차이가 날 경우 위의 그림처럼 슬립 스트립 효과가 발생하게 되는데, 이는 물방울에 의해 미세먼지가 달라붙어 떨어지는 것이 아닌 물 입자 주위의 공기를 타고 흐르게 되어, 먼지를 잘 포착하지 못하게 될 뿐만 아니라, 오히려 땅에 있는 먼지를 건드려 더 많은 비산먼지를 발생 시킬 수 있다. 이에 반해 Fog cannon에서 만들어지는 물 입자는 약 20~200µm로 비산 먼지를 포착하기에 이상적인 물의 크기 입자이다. 보다 작은 물 입자의 크기 때문에 비산먼지와 물방울 사이에서 슬립 스트립효과가 일어나지 않고 물방울에 의해 확산이 효과적으로 억제 될 수 있다. 그리고 이 기술은 미국 EPA(40 CFR Part 60)에서 입증된 최고 저감기술(Best Demonstrated Technology)이라고 평가했다. 이 뿐만 아니라 Fog cannon을 이용할 경우 기존의 살수차와 스프링 클러의 물 사용량의 1/10을 사용하게 되어 훨씬 경제적이라고 볼 수 있다.

• 시장성 분석

 비산먼지 측정을 위한 대표적인 기술로는 중량법, 광산란법, 베타선법, 디지털 영상정보 분석법이 있다. 먼저 중량법은 일반적으로 가장 많이 사용되는 방법으로, 비산먼지 발생장소에 채집장치를 설치하고 일정시간동안 대상대기를 채집한 후, 실험실로 이동해 채집된 대기에 포함된 비산먼지 및 유해물질의 종류와 양을 분석하는 방법으로, 측정결과는 다른 기술들에 비해 매우 정확한 편이나, 채집과 분석과정에서 각각 비용이 발생하고, 측정자가 오염이 예측되는 측정 장소에 직접 노출된다는 단점이 있다. 베타선법은 시간에 따라 감기는 포집 테이프에 베타선을 조여 포집 전후의 농도를 측정하는 방법으로 자동 측정이 가능하고, 측정 시 간편하고 편리하다는 장점이 있지만, 기기의 한계로 연속적인 측정이 어렵다는 단점이 있다. 광산란법은 산란광의 양을 측정하고, 그 값으로부터 입자상 물질의 농도를 구하는 방법으로, 실시간 측정이 가능하고 휴대가 용이하지만, 입자의 개수농도를 측정하여 질량농도로 전환하는 과정에서 오차가 발생할 수 있다는 단점이 있다. 마지막으로 디지털 영상정보 분석법은 카메라를 통해 수집한 디지털 영상정보를 분석하여 가시성을 판단하는 방법으로, 수집된 측정값과 디지털 영상정보를 기본 데이터로 활용하여 측정 장비가 없는 곳에서도 유사한 대기상태에 대한 비산먼지량 측정이 가능하지만, 넓은 범위의 가시성을 판단하는데 적합한 기술이다. 비산먼지 측정을 위한 기술을 건설현장에서 활용하기 위해서는 건설현장 특성에 따른 몇 가지 요구사항을 만족해야 한다. 먼저, 건설현장에서는 공정별로 발생되는 비산먼지의 종류와 양이 다르기 때문에 정확한 측정을 위해서는 측정도구 사용위치의 변경이 용이해야한다. 두 번째, 파손의 위험이 높고 주기적인 측정이 필요하기 때문에 측정 장비의 구입비용과 측정 시 발생하는 비용이 경제적이어야 한다. 세 번째, 건설현장은 비산먼지가 발생하면서 즉시, 대처해야하므로 즉시적인 판단이 가능해야한다. 마지막으로, 환경적인 요인과 관계없이 측정되는 비산먼지량이 정확해야한다. 이에 따라 비산먼지 측정기술의 적합성을 확인해본 결과, 광산란법과 디지털 영상정보 분석법이 요구사항에 적합함이 확인되었다.

◇ 비산먼지 측정 방식과 기존방식의 비교

   아래는 국립 환경과학원에서 발표한 자료로 ‘전국 먼지 발상량 현황(’09)과 TSP, PM10 중에 비산먼지의 발생량(‘09)을 보여주는 표이다. 비산먼지 발생량을 살펴보면 전국 총먼지(TSP) 배출량 중 비산먼지 발생량이 82.4%, 인체에 영향을 미치는 미세먼지(PM10) 배출량 중 비산먼지 발생량은 57.5%로 먼지관리를 위해서는 비산먼지의 관리는 필수적으로 볼 수 있다. 

비산먼지 관리와 확산억제 필요성을 좀 더 확인하기 위해 우리가 살고있는 수도권 지역의 비산먼지 배출현황과 배출 전망을 살펴보자. 수도권 지역의 비산먼지 배출량 현황과 전망을 살펴보면, 24년 까지 비산먼지 배출량 중 PM10 배출량은 꾸준히 증가할 것으로 보이고, PM 2.5 현재와 비슷한 상태를 유지하는 것으로 전망된다.

아래는 비산먼지 발생 사업장 및 민원 발생현황(’09~‘11)을 나타낸 표이다. 표를 보면 비산먼지 발생사업장 수는 크게 증가하지 않는 반면, 연도별 민원발생 건수는 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 2011년 기준으로 건설공사장 민원이 대부분인 92%를 차지하고 있으나, 비금속물질 채취 가공 및 시멘트 토사 운송업 등의 민원도 꾸준히 증가하는 추세이다. 서울, 인천, 경기지역의 비산먼지 발생사업장 수는 전체의 35.4%이지만, 민원은 전체 발생건수의 62.7%로 대부분의 비산먼지관련 민원은 도심지역에서 발생하며, 이를 중점관리하고 민원을 예방할 대책이 필요하다.

총 먼지 배출량 중 비산먼지가 차지하는 비중은 57.5%로 절반이 넘는 수치이다. 따라서 대기질 개선에 기여함을 위하여 비산먼지를 발생하는 공사장, 사업장 관리는 필수적이며, 제도적으로도 강화되고 있는 상황이다. 이에 따라 공사 진행 중인 현장에서도 비산먼지 저감에 대한 의무가 막중해지고 있는 상황이다. 우리의 기술을 필요로 하는 곳이 많은 것이라 예상된다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

Fog cannon과 IOT의 접목은 불필요한 인력배치를 줄이고 보다 효율적인 비산먼지 발생저감을 기대할 수 있다. 그리고 Fog cannon은 비산먼지 뿐만 아니라 악취냄새 제거에도 뛰어난 성능을 보이고 물안개 발생으로 인한 여름건설 현장에서의 현장온도저하 효과를 기대할 수 있다. 더 나아가 공사현장뿐만 아니라 미세먼지의 저감을 위해서도 운용계획을 세울 수도 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

만약 해당 장치가 미세먼지 저감장치로 활성화 또는 보편화가 이루어진다면 점점 주목받고 있는 스마트 시티 아파트단지에서 활용하여 해당 아파트 단지에서는 다른 아파트 단지에서 보다 쾌적한 환경을 만들 수 있을 것이라 생각된다.

또한 현재는 해당기기를 직접 사람이 작동시키므로 이 프로젝트가 완성된다면 인건비의 감소와 건설현장의 온도 감소효과와 같은 쾌적한 환경에서 오는 건설현장의 작업성 향상 등이 예상된다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 저희 팀은 개인이 할당량의 의견을 필수적으로 개진하여 다양한 방안을 고려하도록 하였습니다. 의견 개진 후 자료의 조사는 모든 조원이 동등하게 나누어 진행하고 수렴된 의견은 각 프로젝트의 대표를 통해서 취합되어 제출 자료에 기재토록 약속하였습니다.  
◇ 각 개인의 역량과 자신의 특기를 고려하여 코딩부분과 제어의 또는 연동에 대한 부분으로 각 역할을 나누었고, 주요한 비산저감장치의 모델링은 공통으로 수행하기로 하였습니다. 추진계획은 위의 표에서 보여준바와 같고 시행착오를 고려하여 일정은 제출기한보다 1~2주 정도 빠르게 완성하려고 계획하고 있습니다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

    우리 팀이 설계하고자 하는 장치의 목표는 기존 대기에 포함되어있는 비산먼지를 저감시킬 능력이 있어야 하며 센서의 데이터를 이용한 원격 조종으로 IOT의 면모를 보여주는 것이다. 다만, 컴퓨터를 이용할 뿐만 아니라 휴대성이 좋고 현재 많은 사람들이 사용하는 스마트폰을 이용하여 할 수 있다면 더 좋은 성과와 제품의 활용 가치를 더욱 높일 수 있을 것이라 생각하여 추가 희망사항으로 위의 내용을 넣어 설계하고자 한다. 실제 Fog cannon을 사용할 수 있다면 Fog cannon 분무의 유효 면적과 물의 절약 효과 등 더욱 다양하게 실험하여 설계에 중점을 두고 싶지만, 사실상 Fog cannon의 크기와 비용 등을 고려하여 보면 실제 크기의 Fog cannon을 사용하지 못하여 가동 유효면적 산정과 물의 절약 성능에 대해서는 정확한 결과를 내기가 힘들다고 판단이 된다. 따라서 어느 정도 고려를 하며 설계를 진행하려고 하겠지만, 다른 요구사항에 비해서 중요도가 떨어진다고 생각하여 위와 같은 요구사항 표를 작성하였다. 이 외에도 비 또는 눈이 오는 상황처럼 환경변화와 토목 공사 중에서 터널이나 지하와 같은 위치변화에서도 Fog cannon의 작동 제약이 없도록 하여 범용적으로 쓰일 수 있도록 초점을 맞추고 있다. 

    아래는 우리 팀이 설계하고자 하는 장치에 사용할 부품의 요구사항과 현재 선택한 기능의 비교 및 분석이다. 주요 목표가 비산먼지를 저감시킬 능력이 있고, 센서의 데이터를 이용한 원격 조종으로 IOT의 면모를 보여주는 것이므로, 이에 맞는 설계에 필요한 부품 요구사항을 검토해보면 크게 세 가지로 ‘비산센서가 비산먼지 측정을 제대로 할 수 있는가’, ‘포그캐논이 비산먼지 제거를 효율적으로 하는가’, ‘비산먼지 측정 후 포그캐논이 자동으로 작동 하는가’이다. 

1. 비산먼지 측정이 제대로 이루어지는가

  2조의 비산먼지 측정은 현재 아두이노 미세먼지 측정센서(PM2.5 GP2Y1014AU 미세먼지 측정센서)를 이용할 것이며, 현재 측정센서의 사양은 다음과 같다.비산먼지의 크기는 약 1~10이고, 우리가 사용할 미세먼지 측정센서의 최소 입자 검출 값은 다음 표시되어진 것과 같이 0.8이상 이다. 따라서 현재 계획하고 있는 설계가 잘 이루어진다면 비산먼지의 측정은 제대로 이루어질 것이라고 판단된다.

2. 포그캐논이 비산먼지 제거를 효율적으로 하는가

    우리 팀의 계획은 미세먼지 측정센서와 실제 포그캐논의 결합이다. 미세먼지 측정센서는 아두이노 키트를 사용함으로써 효율성을 담보할 수 있지만, 실제로 포그캐논을 사용하기에는 비용과 설계적인 측면에서 상당히 불리할 것으로 판단되었다. 실제 포그캐논을 사용할 경우의 효과는 미국 EPA에서 입증된 최고 저감기술인 Dry fog system의 효과를 볼 수 있었을 것이라 기대한다. 대신 실제 포그캐논만큼의 효과를 얻기 위해서 포그캐논이 배출하는 물 입자의 크기와 비슷한 물 입자의 크기인 약 20㎛의 입자를 배출할 수 있는 다른 대체 기기를 찾아보았다. 그 결과 우리 팀은 현재 아두이노 키트를 활용하여 사용되고 있는 초음파 분무기를 채택하여 물의 미세분사효과를 보여 주고, 그에 따른 비산먼지 저감효과를 분석해 보기로 하였다. 

3. 비산먼지 측정 후 포그캐논이 자동으로 작동하는가

    비산먼지 측정값은 10~120/까지  구분을 지을 수 있다. 이 수치를 5단계로 나누어 아두이노 키트에서 LED를 활용하여 여러 색깔로 현재 상태의 미세먼지농도를 나타낸다. 그리고 분무기에서 미세먼지의 측정값에 따른 물을 분사하도록 한다. 더 나아가 우리가 구상한 것은 미세먼지의 농도의 따른 물의 세기 또한 조절하여 비산먼지 저감능력을 향상 시키는 방법을 모색하고 있다. 

설계 사양

내용

개념설계안

가. 개 요 

설계 사양에서는 설계 제품의 개략적인 구성에 대해서 살펴보았다. 우리 팀이 설계한 제품의 전체적인 성능은 각 부품의 성능에 따라서 달라질 수는 있지만, IOT의 실현은 AVR 코딩을 통한 우리가 주요하게 설계해야 할 부분이다. 코딩을 통해 설계해야 할 부분은 총 세 가지가 있는데, 첫 번째로는 센서에서부터 컴퓨터(또는 스마트폰)로의 데이터 송신이고, 두 번째로는 기기와 센서의 연결을 통한 자동 제어, 마지막으로는 컴퓨터(또는 스마트폰)와 기기의 연결을 통한 원격 제어의 실현이 주요 설계 과제이다. 추가적으로 우리팀은 현재 사용하려고 하는 광 산란식 센서에서도 문제점을 생각하였는데, 이것 또한 현재 설계 과제중점중 하나라고 생각된다. 이러한 과제를 어떤 방법으로 해결하고 구현 할 것인가를 아래에 하나씩 언급해 보겠다.

나. 센서와 PC(or Smart Phone)의 데이터 송⦁수신

센서의 데이터를 PC로 가져오기 위해서는 ATmega과 같은 마이크로컨트롤러가 내장된 센서가 필요하다. 우리 팀에서 직접 센서와 컨트롤러를 연결하여 사용하는 데에는 무리가 있어 시중에 칩과 센서가 연결된 것을 쉽게 구할 수 있으므로, 그것을 이용하여 PC와 센서의 연결을 시도하고자 한다. 그리하여 선택한 센서는 아두이노와 연동될 수 있는 센서이다. 아두이노란 단일 보드 마이크로컨트롤러로 완성된 보드와 관련 개발 도구 및 환경을 말한다. 아두이노와 호환이 되는 센서와 센서를 보드에 연결시켜줄 실드 그리고 아두이노 보드를 이용하여 보드와 센서를 연결하고 그리고 보드와 PC를 연결하려고 합니다. 그리고 PC에 아두이노 IDE(통합개별환경)을 이용하여 코딩을 할 예정이고 코딩을 통해서 데이터를 그래프 또는 직접적인 수치로 표현 받으려고 한다. 아래에는 우리 팀이 사용하려는 아두이노 보드 설계도이다.

    일단 위의 설계도에서 ①로 표시된 부분은 센서에서 PC로 데이터를 가져오기 위한 첫 번째 단계로 리셋(초기화)단계이다. 사용하기 위해서는 초기단계로 초기화를 하는 단계가 우선적으로 필요하므로 코딩을 통하여 초기화를 처음으로 해줄 예정이다. 두 번째로 ③으로 표시된 부분은 PC로부터 UART 통신을 통해 센서를 작동시키고 그 후 ②의 경로를 통해 센서의 결과 값을 받는 코딩을 작성할 예정이다. 위 코딩 내용을 그림으로 표현하여 간단하게 보면 아래 그림과 같이 표현 할 수 있다. IOT의 실현을 위해서는 유선으로 된 USB가 아닌 Bluetooth를 이용할 예정이지만 데이터 업로드 방식에서는 차이가 나지 않으므로 코딩부분에서는 크게 다르게 할 점은 없다.

다. 기기와 센서의 연결을 통한 자동제어

기기 부분에서는 원래 Fog cannon을 사용하여 센서와 연결해야 하지만 비용적인 문제와 기기의 크기문제 그리고 센서와의 연결 및 부품의 부족의 문제로 실제 Fog cannon과의 직접적인 연결은 불가능할 것으로 우리 팀은 판단하였다. 이 때문에 Fog cannon과 비슷하게 물을 분사하는 초 미세입자 분무기 또는 초음파 가습기를 이용하는 아이디어로 기기를 대체 하고 비산먼지 저감능력을 검토해 보기로 하였다. 팀 내에서 토론을 하여 두 가지의 기기 중 한 가지로 결정하고자 하였는데, 초음파 가습기가 만들어내는 물의 입자 크기는 약 1~10um이고 분무기가 만들어 내는 물의 입자 크기는 약 85~120um로 두 개를 비교한 결과 초음파 가습기를 사용한 설계가 우리가 원하는 Fog cannon을 이용한 설계와 가장 비슷할 것이라 판단을 하였고 가습기를 기존 Fog cannon을 대체하여 사용하기로 했다. 일단 가습기와의 연결을 위해서 초음파 가습기와 아두이노 보드를 케이블을 사용하여 연결할 예정이다. 그리고 난 후 초음파 가습기의 전원에 센서의 데이터를 보낼 수 있도록 초음파 가습기와 보드를 연결한 핀을 코딩을 통해 출력으로 설정한 후(DDR, PORT를 설정함), 센서의 수치에 따라 0과 1의 신호를 보내도록 코딩 할 것이고 0은 전원의 OFF를 1은 전원의 ON을 의미하도록 코딩할 예정이다. 더 나아가서 출력신호를 1비트가 아닌 최대 8비트까지 전송이 가능하므로(마이크로컨트롤러 특성상 최대 8비트 입출력이 가능함), 전원 ON, OFF 뿐만 아니라 비산먼지 농도에 따라 물의 분사 능력을 조절하는 코드까지 설계해볼 예정이다. 아래의 그림은 위 기기와 센서의 연결과 코딩을 그림으로 표현한 것이다.

 기기와 센서의 연결에서도 마찬가지고 IOT의 기능을 실현하기 위해서 Bluetooth 칩셋 또는 WIFI 칩셋을 이용할 예정이다. 초음파 가습기에 Bluetooth 칩셋을 연결하는데 케이블 연결의 한계점과 가습기 및 블루투스 두 개의 전원 공급이 필요하다는 점에서 한계점이 보이고 있지만, 현재 팀원 간의 토의 중으로 다른 방법을 논의 중인 부분이다. 

라. PC(or Smart phone)과 기기의 연결을 통한 원격제어

 마지막으로 PC와 기기의 연결부분에 있어서는, PC와 센서의 보드와 연결되어 있고, 센서의 보드와 기기가 서로 연결되어 있으므로, 컴퓨터로부터 기기로 데이터를 송신하기에는 센서 보드의 마이크로컨트롤러를 이용하면 되어 쉽게 가능하지만, 문제점은 제어 프로그램의 생성이다. 이 문제에 대해서 우리 팀은 인터럽트(Interrupt)의 기능을 활용하여 코딩하는 방법을 활용하자고 판단했다. 인터럽트(Interrupt)란 CPU가 현재 진행 중인 연산 작업을 잠시 중단하고, 인터럽트에 의하여 요청된 새로운 연산 작업을 먼저 처리할 수 있도록 하는 것이다. 이것을 이용하면 센서의 데이터에 의해 마이크로컨트롤러 CPU가 기기를 자동으로 제어하고 있더라도, 사용자의 신호에 의해 인터럽트(Interrupt)가 실행될 경우 CPU에 의한 자동제어를 중단하고 사용자의 신호에 맞게 기기를 제어하게 된다. 따라서 코딩을 할 경우 이러한 인터럽트(Interrupt)를 사용하기 위해서는 마이크로컨트롤러의 INT에 해당하는 핀을 케이블을 이용하여 컴퓨터 또는 Bluetooth칩과 연결을 해야 한다. 그러고 난 후 코딩을 통하여 인터럽트(Interrupt)의 조건을 설정하고,  콘솔창 또는 실시간으로 데이터 사용자로부터 데이터를 입력받아 인터럽트(Interrupt)를 발생할 수 있도록 설정한다. 인터럽트(Interrupt)를 활용함으로써 마이크로컨트롤러 CPU가 기기를 자동으로 제어할 수 있고, 사용자의 명령이 서로 충돌하여 장애가 생기는 일 없이 작동이 가능하다고 생각하고 있다. 사용자의 명령 또는 신호 없을 때의 CPU 자동제어의 모습은 ‘그림 4’와 같고, 사용자 신호가 올 때 인터럽트(Interrupt)를 이용한 기기의 원격제어를 그림은 아래와 같다. 

인터럽트(Interrupt)의 수행도 IOT의 완벽 구현을 위해 Bluetooth 칩셋을 이용할 예정이지만, 현재 이용하려고 하는 Bluetooth의 칩셋의 최대 연결 가능한 핀이 총 8개로 인터럽트의 데이터까지 송수신을 위해서는 추가적인 Bluetooth의 칩셋을 이용하거나 더 많은 핀을 가진 Bluetooth 칩셋을 찾아보거나 그것 또한 여의치 않는다면, 선 작업이 필요할 수도 있다고 우리 팀은 판단하고 있다.

마. 광 산란방식의 구조적 특성으로 인한 보완 대책

 미세먼지 측정방식 중 우리 조가 채택한 광 산란방식은 대기 중에 부유하고 있는 입자상 물질에 빛을 조사한다. 이때, 입자상물질에 의하여 빛이 산란하게 되는데 물리적 성질이 동일한 입자상 물질에 빛을 조사하면 산란광의 양은 질량 농도에 비례하게 된다. 이러한 원리를 이용하여 산란광의 양을 측정하고 그 값으로부터 입자상 물질의 농도를 구하는 방법이다. 

광산란 방식은 측정 주기가 짧아 실시간 측정이 가능하고 크기가 크지 않아 상대적으로 설치, 유지비용이 저렴하여 미세먼지 측정시스템에 소요되는 비용을 감소시킬 수 있다. 따라서 본 조에서는 위에서 언급한 베타선 흡수 방식의 한계점을 해결할 수 있는 광 산란방식의 미세먼지 측정 센서를 사용하고 사물인터넷 기술을 적용함으로써 주거 환경에서 실시간으로 공기질을 측정하는 시스템을 구현한다. 일반적으로 광산란 방식의 미세먼지 측정 센서는 광산란 방식의 구조적 특성 때문에 주변 환경의 변화(예: 빛, 공기 흐름)에 취약하며 이를 보완하기 위해서는 센서를 설치 할 때 추가적인 작업(예: 가림막 설치, 공기 흡입팬)이 수반되어야 한다. 본 조에서 가림막에 대한 설계도는 다음 그림과 같다.

공기 흡입팬의 경우, 본 조에서는 코딩과 기기와의 호환 및 비용 등의 이유로 인해 미세먼지측정 센서를 GP2Y1014AU로 채택하였지만 이 기기가 공사장에 현실화되었을 때 더 정확한 측정값을 얻기 위해 자체적으로 팬이 내장되어 주기적으로 공기를 센서 내부로 흡입하여 측정할 수 있는 고성능의 미세먼지측정 센서를 이용하기를 권한다. 아래의 그림은 우리 팀에서 사용할 광 산란식 센서의 보드판과의 케이블 연결도를 나타낸 그림이다. 본 조의 설계에 있어서 가능하면 아래의 설계 회로를 포함한 가림막을 설치할 예정이다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 데이터 값을 받아오는 타이밍 계산

적외선 LED를 켜고 끄는 1주기는 10ms 이며, 이중에 적외선LED를 ON시키는 시간은 0.32ms입니다. 나머지 10-0.32=9.68ms 동안은 적외선 LED를 OFF시켜야 합니다. 따라서 아날로그 값은 적외선 LED가 ON되고 0.28ms 후에 값을 받을 수 있습니다. 0.32ms동안 LED를 ON시키고 0.28ms후에 아날로그 값을 읽고, 나머지 0.32-0.28=0.04ms후에는 적외선 LED를 OFF시켜야 합니다. 1ms=1000us이기 때문에 소스코드에서는 정확한 딜레이를 위해 us로 코드를 작성하였습니다.

◇ 전압으로 측정한 미세먼지 값을 미세먼지 농도로 바꾸는 계산

데이터 시트를 보면 1의 공간에 0.1mg의 먼지당 0.5V가 증가합니다. 0.1mg=100ug단위를 1ug로 바꾸기 위해서 0.5V를 0.005V로 바꿔줍니다. 따라서 코드 작성할 때의 수식은 다음과 같습니다. 코드작성 : float dust=(voltage-no_dust) / 0.005

◇ AnalogRead() 값을 전압의 값으로 전환

우리 조가 사용하는 비산먼지 측정센서는 적외선 LED를 이용하여 비산먼지의 값을 측정하고 그 값을 의 감도에 알맞게 전압을 출력하도록 되어 있습니다. (정확한 비산먼지에 대한 전압 출력값의 그래프는 아래 그래프와 같습니다.) 다음의 설계도 부분에서도 알 수 있다시피 이렇게 변화하는 입력의 값을 받아들일 수 있도록, 비산먼지측정 센서의 출력값을 digitalpin이 아닌 A0(Analog0)에 받도록 되어있는 것을 확인할 수 있습니다. 이 아날로그 입력핀은 핀으로 입력받는 전압이 0V ~ 5V 사이에서 변화하는 값을 읽을 수 있는데 이 값을 읽어서 입력 장치처럼 사용하는 것입니다. 0V~5V 사이에서 변화하는 값을 읽어야 하기 때문에 코딩에서 사용하는 함수 또한 DigitalRead()가 아닌 analogRead() 함수를 사용할 것입니다. analogRead() 함수는 입력된 전압에 따라 0~1023 까지의 값을 반환해주는 함수입니다. 즉, 0V에서 동작전압 5V 까지를 1024등분해서 값을 알려준다는 얘기입니다. 이렇게 Analog 값(전압 입력 값)을 digital 값(0~1023)으로 변환해주는 모듈을 ADC(Analog to Digital Converter)라고 부르고 아두이노가 자체적으로 가지고 있습니다. 아두이노는 ADC 가 1024 단계(2^10)로 구분할 수 있기 때문에 10비트의 분해성능을 가지고 있다고 합니다. analogRead() 함수로 읽은 값은 USB serial 로 출력합니다. (즉 PC로 전송해서 PC에서 확인할 수 있도록 해줌) 아두이노 개발환경이 제공하는 Serial Monitor로 확인하면 0부터 1023 사이의 값이 주르륵 나오게 되고 그에 따른 계산식에 따라 비산 먼지의 값을 확인할 수 있습니다. analogRead()의 값으로 얻은 0~1023의 값을 0~5V로 다시 바꾸어 주어야 하므로 analogRead()로 받은 값을 x라고 할 때, 그 값을 전압으로 바꾸는 계산식은 아래와 같은 수식을 따르게 됩니다.

◇ 미세먼지농도에 따른 출력 Voltage 계산

 우리조는 미세먼지의 농도에 따라 분무장치의 분무능력을 조절하려고 합니다. 하지만 digital 핀을 통한 단순한 출력은 분무장치의 ON/OFF는 가능하지만 분무능력의 강도를 조절하지는 못합니다. 이러한 점을 해결하기 위해서 우리조는 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조)라는 것을 이용하기로 하였습니다. PWM이란? PWM은 5V출력을 on/off 상태로 유지하는 것으로 출력하는게 아니라 빠르게 on/off를 반복하는 것입니다. on/off를 매우 빠르게 반복하게되면 위 예시처럼 on/off 간격(Pulse Width)에 따라 평균전압이 낮아지는 효과가 나타나게 됩니다. 이렇게 PWM을 사용하면 평균전압이 낮아져서 분무장치의 강도를 조절할 수 있게 됩니다. 우리조가 사용할 아두이노에서는 500Hz 주파수, 2ms 간격으로 위와 같은 PWM작업을 수행할 수 있고 이 단계를 256 단계로 구분할 수 있습니다. 우리가 0V(0) ~ 5V (255)를 256 단계로 구분해서 입력할 수 있다는 뜻입니다. on/off 출력이 아니라 단계적인 출력이 가능하므로 아날로그 출력이라고도 합니다. 아두이노가 가진 Digital 핀 중 PWM 기능을 가진 핀들이 이미 정의되있는데, PWM 기능을 가진 핀은 앞에 (~) 물결 마크가 붙어 있습니다. 아래 그림에서 보듯 3, 5, 6, 9, 10, 11번 핀이 PWM 의 기능을 수행할 수 있는 핀입니다. 저희 조는 여기서 9번 핀을 이용하여 분무장치를 제어할 예정입니다.

analogRead는 0~1023(1024단계)까지의 값을 읽을 수 있고, analogWrite는 0~255(256단계) 사이의 값을 사용할 수 있습니다. 따라서 analogRead()를 통해 입력받은 값을 1/4 하면 analogWrite() 의 출력 단계값으로 사용할 수 있습니다. 위의 결과식을 통해 코드를 작성해 보면 analogWrite(PIN_NUM, AnalogRead()/4); 와 같이 작성할 수 있고, 이 코드를 사용함으로써 분무 강도를 256단계로 조절할 수 있습니다.

상세설계 내용

◇ 미세 먼지 측정 센서 제어

사용하고자 하는 미세먼지 측정 센서는 가운데 원형의 구멍에 IRED(적외선 LED)를 통해 먼지의 농도를 검출하는 센서입니다. 핀맵은 왼쪽부터 1번입니다. 1번과 2번으로 적외선 LED에 전원을 주고, 3번 핀에 연결된 PNP트랜지스터를 통해 적외선 LED를 제어합니다. 4번과 6번 핀을 통해 증폭기에 전원을 넣고 PD(포토 다이오드)를 통해 증폭된 신호를 5번 핀을 통해 아날로그 출력을 합니다.

미세먼지 센서가 제대로 동작할 수 있도록 해당 회로를 구성하여야합니다. 미세먼지센서와 150Ω 저항과 220uF 캐패시터를 통해 시정수를 맞춰줍니다. 그리고 아두이노와 미세먼지측정센서를 연결해야 하는데 미세먼지 6개의 핀은 아래와 같이 아두이노에 연결해 주면 됩니다. 

◇ 물분사모듈 자동제어

초음파 가습의 구성은 간단하게 되어있습니다. 위의 그림에 나타나 있는 검은색 선과 빨간색 선을 각각 GND와 3.3V 또는 5V에 연결하게 되면 USB를 아두이노 보드에 연결하는 순간 작동될 것입니다. 하지만 우리조는 미세먼지 측정센서의 값에 따라 분무량을 조절하는 것이 목표이므로 검은색 선을 GND에 빨간색 선을 PMW가 가능한 핀(9번핀 사용예정)에 연결하여 분무량을 조조절 할 예정입니다. 그에 따른 아두이노 보드와 분무장치의 설계도는 다음과 같습니다.

◇ 블루투스 칩셋의 사용 

우리조에서 사용할 블루투스 칩셋은 위의 그림과 같습니다. 4개의 핀으로 구성되어있고 전원관련 핀(VCC, GND)와 송수신과 관련된 핀(TXD, RXD)으로 구성되어 있습니다. 위의 블루투스를 사용하기위해서는 SoftwareSerial이라는 라이브러리가 필요한데, 이 라이브러리를 사용하기 위해서는 송 수신의 핀을 interrupt기능을 가지고 있는 핀을 사용해야한다. 다행히 아두이오 UNO 보드에는 interrupt 기능을 제공하는 D2번과 D3번핀이 존재합니다. 따라서 송 수신핀을 각각 D2,D3번과 연결하여 아래 그림과 같이 연결해주면 블루투스의 사용을 위한 연결은 끝이납니다. 블루투스를 사용하기 위해서 해당 라이브러리를 적절한 폴더에 추가해주고, 코드 부분 젤 처음에서 include를 사용하여 해당 라이브러리를 추가하여 사용하면 됩니다. 그리고 BTSerial()이라는 함수를 이용하여 송 수신의 핀을 먼저 설정하여 주어야 하는데, 이를 설정하여 데이터를 블루투수와 컴퓨터 또는 폰으로 데이터 전송이 가능하도록 한 코드는 아래와 같습니다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

1. 측정기로 미세먼지를 측정합니다.

2. 표시면 화면에서 측정값을 송출합니다.

3. 비산먼지의 농도 값에 따라서 다른 색을 LED를 통해 보여줍니다.

4. 팬과 분무기 모듈이 물과 바람을 뿌려 비산먼지의 제거를 해줍니다.

포스터

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

가. 비산먼지의 측정이 이루어 지는가

평가 : 사양대로 측정하였으며 다음과 같이 측정값들을 화면에 송출 할 수 있었다.

나. 분무기모듈로 인해 비산먼지의 값이 감소 하는가

평가 : 일정 시간이 흐르면 비산먼지의 측정양이 줄어들긴 하지만 분무기 모듈의 물의 분사량이 지극히 적어서 분무기 모듈로 인해 비산먼지의 값이 감소 한다고 보기는 힘들다.

다. 비산먼지 측정 후 분무기모듈이 자동으로 작동 하는가 평가 : 사진에서 보이는 것처럼 30/이하 일 때는 작동하지 않으나 30~80/일 경우 분무기 모듈과 팬이 돌아가고 80~100/일 경우 노란불과 함께 분무기 모듈과 팬이 돌아가며 100~150/일 경우 빨간불과 함께 분무기 모듈과 팬이 돌아간다.

향후계획

내용

특허 출원 내용

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